(57)【要約】【課題】水の電気分解から燃料電池の運転への切り替え時にフラッディング現象が生じ難く、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く動作の安定性に優れ、また水の電気分解運転時に電極の溶出がほとんどみられず耐久性にも優れる高効率の燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】電解質膜２の片面に配設された水素極３を収容する水素極室４と、電解質膜２の他面に配設された酸素極５を収容する酸素極室６と、水素極室４に形成された水素極室供給口７及び水素極室排出口１９と、酸素極室６に形成された酸素極室供給口２１、酸素極室排出口３１及び酸素極室排出口開閉弁３２と、水素極３と酸素極５との間に電圧を印加し水を電気分解させ水素を発生させる電圧印加部３４と、を備えた燃料電池１であって、電圧印加部３４が、水が供給され酸素極室排出口開閉弁３２が閉止された酸素極室６の酸素極５と水素極３との間に電圧を印加する構成を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．電解質膜と、ｂ．前記電解質膜の片面に配設された水素極を収容する水素極室と、ｃ．前記電解質膜の他面に配設された酸素極を収容する酸素極室と、ｄ．前記水素極室に形成された水素極室供給口及び水素極室排出口と、ｅ．前記酸素極室に形成された酸素極室供給口及び酸素極室排出口と、ｆ．前記水素極と前記酸素極との間に電圧を印加し水を電気分解させ水素を発生させる電圧印加部と、を備えた燃料電池であって、
前記酸素極室排出口を開閉する酸素極室排出口開閉弁を備え、前記電圧印加部が、水が供給され前記酸素極室排出口開閉弁が閉止された前記酸素極室の前記酸素極と前記水素極との間に電圧を印加することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記水素極室排出口を開閉する水素極室排出口開閉弁を備え、前記電圧印加部が、水が供給され前記水素極室排出口開閉弁が閉止された前記水素極室の前記水素極と前記酸素極との間に電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記酸素極室供給口と連通し前記酸素極室内の水が電気分解されて発生した酸素と前記酸素極室から押し出された水を貯留する第１気液貯留部を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記水素極室供給口と連通し前記水素極室内の水が電気分解されて発生した水素と前記水素極室から押し出された水を貯留する第２気液貯留部を備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４の内いずれか１に記載の燃料電池と、前記燃料電池に供給する水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、前記燃料電池に供給する水を貯蔵する水貯蔵槽と、を備えていることを特徴とする電気自動車。
【請求項６】
ａ．電解質膜と、ｂ．前記電解質膜の片面に配設された水素極を収容する水素極室と、ｃ．前記電解質膜の他面に配設された酸素極を収容する酸素極室と、ｄ．前記水素極室に形成された水素極室供給口及び水素極室排出口と、ｅ．前記酸素極室に形成された酸素極室供給口及び酸素極室排出口と、ｆ．前記水素極と前記酸素極との間に電圧を印加し水を電気分解させ水素を発生させる電圧印加部と、を備えた燃料電池の運転方法であって、
電気分解運転時に、前記酸素極室内の蒸気状態の水を電気分解することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びそれを備えた電気自動車並びに燃料電池の運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型の燃料電池は、発電効率が高く高電流密度のため小型軽量化が可能、低温動作のため常温で起動でき起動時間も短く取り扱いが容易等の特徴を有するため、従来より、家庭用等の定置型電源や宇宙船用，潜水艦用，船舶用，自動車用等の移動電源に適用する研究が続けられている。
しかしながら、固体高分子型の燃料電池は水素等の燃料を燃料電池に供給して電気エネルギーを発生させるものであるため、自動車用等の移動電源として用いる場合、通常のガソリン自動車がガソリンスタンドにてガソリンを補給するように、随所に燃料補給施設を設置し比較的頻繁に燃料を補給しなければならないという問題がある。
そこで、燃料電池が電気エネルギーを作り出す逆反応に着目し、水を電気分解して燃料となる水素を生成させる水の電解槽の機能を燃料電池と一体化した再生式の燃料電池が開発されている。
従来の技術としては、（特許文献１）に「イオン交換膜の両面に配置された一対の給電・集電体及び電極板を備え、燃料電池として機能し、かつ、水電解装置として機能する可逆型燃料電池と、前記可逆型燃料電池へ供給するための水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、を備えた可逆型燃料電池搭載自動車」が開示されている。
（特許文献２）に「水電解槽と燃料電池の二つの機能を有する固体高分子電解質型の可逆セルの構成部分である多孔質のガス拡散体が、導電性物質の繊維の集合体であって、個々の繊維の表面をフッ素樹脂で被覆してあり、その被覆量が、繊維の全表面積に関して０．０６〜１．２０ｍｇ／ｃｍ２の範囲にある多孔質ガス拡散体を有する燃料電池」が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１３５９１１号公報
【特許文献２】特開２００４−１３４１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら上記従来の技術においては、以下のような課題を有していた。
（１）（特許文献１）に開示の技術は、可逆型燃料電池内で水の電気分解と燃料電池の運転を交互に繰り返し行う場合、水の電気分解運転直後は給電・集電体内に多量の水が存在するため、燃料電池運転開始時に給電・集電体に水素ガスや酸素ガスを流すと、水が給電・集電体のガス流路に詰まりガスが流れ難くなる現象（フラッディング現象）が生じ、水素ガス等の拡散阻害による電圧低下を招き燃料電池の性能が低下するという課題を有していた。
（２）（特許文献２）に開示の技術は、水の電気分解運転直後のフラッディング現象を防止するため、ガス拡散体（給電・集電体）の個々の繊維を、全表面積に対して０．０６〜１．２０ｍｇ／ｃｍ２のフッ素樹脂で被覆しガス拡散体の表面を疎水性にして水はけを良くしているため、ある程度はフラッディング現象を抑制し電圧低下を防止できる。しかしながら、繰り返し運転によってフッ素樹脂による被覆が剥離したり、疎水性を維持する効果が経時的に低下したりするため、耐久性に欠けるという課題を有していた。
（３）ガス拡散体の繊維の表面をフッ素樹脂で被覆するのは、繊維にフッ素樹脂の分散液を塗布し乾燥させた後、約４００℃で１時間以上加熱してフッ素樹脂を溶着させる必要があり煩雑で生産性に欠けるという課題を有していた。また、このような処理を行って繊維の表面を均一にフッ素樹脂で被覆するのは困難で斑が生じ易く、フッ素樹脂が十分に被覆されていない繊維の表面からは水が除去され難いため、フラッディング現象を完全に防止できないという課題を有していた。
（４）水の電気分解運転の際、電極板、ガス拡散体、給電・集電体は水中に浸漬され電極板等の表面では激しく酸化還元反応が起こっているため、長期間の使用によって電極板等の成分が水中に溶出することがあり、溶出した成分は電解質膜の表面にも付着し、経時的に燃料電池の起電力や水の電解効率が低下することがあり耐久性に欠けるという課題を有していた。
【０００４】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、水の電気分解から燃料電池の運転への切り替え時に、酸素極の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難いため、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く動作の安定性に優れ、また構造が簡単で軽量化できるとともに安価で量産でき、さらに電極の溶出がほとんどみられず耐久性にも優れる高効率の燃料電池を提供することを目的とする。
また、本発明は、１基の燃料電池で水素（燃料）及び酸素（空気）を用いた発電と水の電気分解による水素（燃料）の再生を行うことができ、燃料の補給頻度を少なくすることができ利便性を高めるとともにインフラ整備に要する負担を軽減でき、また水の電気分解から燃料電池の運転への切り替え時にフラッディング現象が生じ難いため、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く安定した出力が得られ耐久性にも優れた電気自動車を提供することを目的とする。
また、本発明は、燃料電池の発電運転開始時に酸素極室に酸素や空気を流すと、酸素極の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難く、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く高い起電力が安定して得られ、また電極の成分が水に溶出しないか溶出量を極めて少なくできるため、溶出成分が電解質膜に付着することが原因の燃料電池の起電力低下や電解効率低下が生じず耐久性に優れる燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記従来の課題を解決するために本発明の燃料電池及びそれを備えた電気自動車並びに燃料電池の運転方法は、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載の燃料電池は、ａ．電解質膜と、ｂ．前記電解質膜の片面に配設された水素極を収容する水素極室と、ｃ．前記電解質膜の他面に配設された酸素極を収容する酸素極室と、ｄ．前記水素極室に形成された水素極室供給口及び水素極室排出口と、ｅ．前記酸素極室に形成された酸素極室供給口及び酸素極室排出口と、ｆ．前記水素極と前記酸素極との間に電圧を印加し水を電気分解させ水素を発生させる電圧印加部と、を備えた燃料電池であって、前記酸素極室排出口を開閉する酸素極室排出口開閉弁を備え、前記電圧印加部が、水が供給され前記酸素極室排出口開閉弁が閉止された前記酸素極室の前記酸素極と前記水素極との間に電圧を印加する構成を有している。
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）水の電気分解時には、酸素極室供給口から酸素極室に水を供給して、酸素極室に水が充填されたら酸素極室排出口を開閉する酸素極室排出口開閉弁を閉止し、酸素極を陽極として電圧印加部が酸素極と水素極との間に直流電圧を印加すると、酸素極ではＨ２Ｏ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−のように反応し酸素が発生する。この反応によって生じたプロトン（Ｈ＋）は電解質膜を通って水素極（陰極）側へ移動し電子を受け取り、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２のように反応して水素を発生させる。また、酸素極で発生した酸素によって酸素極室の内圧が高まるので、酸素極室供給口から酸素極室内の水が酸素極室の外へ押し出され酸素極の周囲には液体状態の水がほとんど残留しなくなる。また、水の電気分解によって酸素極の温度が８５〜９５℃程度に上昇するため、酸素極の表面にわずかに残留した液体状態の水は蒸発する。このため、燃料電池の発電運転開始時に酸素極室に酸素や空気を流すと、酸素極の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難く、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く高効率の燃料電池が得られる。
（２）構造が簡単で軽量化でき、安価で量産可能な高効率の燃料電池が得られる。
【０００６】
ここで、電解質膜としては、スルホン酸基やカルボニル基をもつフッ素樹脂系等のイオン交換膜が用いられる。
【０００７】
酸素極としては、チタン製，白金製の電極、チタン，カーボン，ステンレス等で形成された基材の表面に白金，ルテニウム，イリジウム等の皮膜を形成したもの、白金，白金グラファイト等で形成された基材の表面にルテニウム，イリジウム等の皮膜を形成したもの等を用いることができる。ガス透過性を高めるため、メッシュ状や多孔質状に形成されたものが好適に用いられる。
【０００８】
水素極としては、酸素極として用いられる電極の他、ニッケル，鉄等で形成された基材の表面に白金，ルテニウム，イリジウム等の皮膜を形成したもの等を用いることができる。ガス透過性を高めるため、メッシュ状や多孔質状に形成されたものが好適に用いられる。
【０００９】
燃料電池は、ａ．電解質膜と、ｂ．水素極室と、ｃ．酸素極室と、を一つのセルとして、このセルを積層したスタックを用い、燃料電池の単位重量あたりの出力を高めることができる。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池であって、前記水素極室排出口を開閉する水素極室排出口開閉弁を備え、前記電圧印加部が、水が供給され前記水素極室排出口開閉弁が閉止された前記水素極室の前記水素極と前記酸素極との間に電圧を印加する構成を有している。
この構成により、請求項１で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）水の電気分解時には、水素極室供給口から水素極室にも水を供給して、水素極室に水が充填されたら水素極室排出口を開閉する水素極室排出口開閉弁を閉止し、電圧印加部が酸素極と水素極との間に直流電圧を印加し酸素極を陽極、水素極を陰極とすると、酸素極（陽極）ではＨ２Ｏ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−のように反応し酸素が発生する。この反応によって生じたプロトン（Ｈ＋）は電解質膜を通って水素極（陰極）側へ移動し電子を受け取り、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２のように反応して水素を発生させる。さらに、水素極（陰極）ではＨ２Ｏ＋ｅ−→ＯＨ−＋１／２Ｈ２のように反応し水素が発生する。また、水素極で発生した水素によって水素極室の内圧が高まるので、水素極室内の水が水素極室供給口から水素極室の外へ押し出され水素極の周囲には液体状態の水がほとんど残留しなくなる。また、水の電気分解によって水素極の温度が８５〜９５℃程度に上昇するため、水素極の表面にわずかに残留した液体状態の水は蒸発する。このため、燃料電池の運転開始時に酸素極室に酸素や空気を流し水素極室に水素を流すと、酸素極及び水素極の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難く、酸素及び水素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く高効率の燃料電池が得られる。
（２）水素極室に水を供給して水素極でも水の電気分解を行うので、水を酸素極室だけに供給した場合と比較して、水素極における水素の発生量を増やすことができ、水素の再生能力を高めることができる。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池であって、前記酸素極室供給口と連通し前記酸素極室内の水が電気分解されて発生した酸素と前記酸素極室から押し出された水を貯留する第１気液貯留部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項１又は２で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）水の電気分解時に、第１気液貯留部に貯留された水を酸素極室供給口から蒸気状態で酸素極に供給させることができるので、酸素極では蒸気状態の水を電気分解することができる。酸素極が水に浸漬されていないため、酸素極の成分が水に溶出しないか溶出量を極めて少なくできるため、溶出成分が電解質膜に付着することが原因の燃料電池の起電力低下や電解効率低下が生じず耐久性に優れる。
（２）燃料電池の発電運転時には、第１気液貯留部と酸素極室とを連通させておくことで貯留された水で酸素を加湿して電解質膜に水分を吸収させられるので、電解質膜のプロトン導電性を向上させ燃料電池の発電性能を高めることができる。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の燃料電池であって、前記水素極室供給口と連通し前記水素極室内の水が電気分解されて発生した水素と前記水素極室から押し出された水を貯留する第２気液貯留部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項２又は３で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）水の電気分解時に、第２気液貯留部に貯留された水を水素極室供給口から蒸気状態で水素極に供給させることができるので、水素極では蒸気状態の水を電気分解することができる。水素極が水に浸漬されていないため、水素極の成分が水に溶出しないか溶出量を極めて少なくできるため、溶出成分が電解質膜に付着することが原因の燃料電池の起電力低下や電解効率低下が生じず耐久性に優れる。
（２）燃料電池の発電運転時には、第２気液貯留部と水素極室とを連通させておくことで貯留された水で水素を加湿できるので、水素を加湿器で加湿しなくても電解質膜のプロトン導電性を維持することができる。
【００１３】
本発明の請求項５に記載の電気自動車は、請求項１乃至４の内いずれか１に記載の燃料電池と、前記燃料電池に供給する水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、前記燃料電池に供給する水を貯蔵する水貯蔵槽と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用が得られる。
（１）１基の燃料電池で、水素（燃料）及び酸素を用いた発電と、水の電気分解による水素（燃料）の再生を行うことができ、燃料の補給頻度を少なくすることができ利便性を高め、さらに水素の補給頻度を少なくすることができるので、水素の製造所，輸送，貯蔵，供給設備等のインフラ整備に要する負担を少なくできる。
（２）水の電気分解から燃料電池の運転への切り替え時にフラッディング現象が生じ難いため、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く安定した出力が得られるとともに耐久性にも優れる。
【００１４】
ここで、水素貯蔵装置としては、液体水素の貯蔵タンク、金属製や合成樹脂製等の高圧タンク、パラジウム，チタン，ジルコニウム，マグネシウム，希土類金属等の金属水素化物を形成する水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵装置、シクロへキサン，デカリン等の有機ハイドライドを用いた水素貯蔵装置、カーボンナノチューブ，繊維状炭素，黒鉛等の炭素系材料を用いた水素貯蔵装置等を用いることができる。
【００１５】
本発明の請求項６に記載の発明は、ａ．電解質膜と、ｂ．前記電解質膜の片面に配設された水素極を収容する水素極室と、ｃ．前記電解質膜の他面に配設された酸素極を収容する酸素極室と、ｄ．前記水素極室に形成された水素極室供給口及び水素極室排出口と、ｅ．前記酸素極室に形成された酸素極室供給口及び酸素極室排出口と、ｆ．前記水素極と前記酸素極との間に電圧を印加し水を電気分解させ水素を発生させる電圧印加部と、を備えた燃料電池の運転方法であって、電気分解運転時に、前記酸素極室内の蒸気状態の水を電気分解する構成を有している。
この構成によって、以下のような作用が得られる。
（１）電気分解運転時に蒸気状態の水を電気分解するので、酸素極ではＨ２Ｏ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−のように反応し酸素が発生する。この反応によって生じたプロトン（Ｈ＋）は電解質膜を通って水素極（陰極）側へ移動し電子を受け取り、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２のように反応して水素極室に水素を発生させることができる。さらに、燃料電池の発電運転開始時に酸素極室に酸素や空気を流すと、酸素極の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難く、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く高い起電力が安定して得られる。
（２）水の電気分解時に酸素極が水に浸漬されていないため、酸素極の成分が水に溶出しないか溶出量を極めて少なくできるため、溶出成分が電解質膜に付着することが原因の燃料電池の起電力低下や電解効率低下が生じず耐久性に優れる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明の燃料電池及びそれを備えた電気自動車並びに燃料電池の運転方法によれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項１に記載の発明によれば、
（１）水の電気分解運転から燃料電池の発電運転への切り替え時に、酸素極の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難いため、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く、動作の安定性に優れるとともに耐久性にも優れた高効率の燃料電池を提供することができる。
（２）構造が簡単で軽量化でき、安価で量産可能な高効率の燃料電池を提供することができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、
（１）水の電気分解運転から燃料電池の発電運転への切り替え時に、水素極の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難いため、水素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く、動作の安定性に優れるとともに耐久性にも優れた高効率の燃料電池を提供することができる。
（２）水素極室に水を供給して水素極でも水の電気分解を行うので、水を酸素極室だけに供給した場合と比較して、水素極における水素の発生量を増やすことができ、水素の再生能力の高い燃料電池を提供することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加え、
（１）水の電気分解時に酸素極が水に浸漬されていないため、酸素極の成分が水に溶出しないか溶出量を極めて少なくできるため、溶出成分が電解質膜に付着することが原因の燃料電池の起電力低下や電解効率低下が生じず耐久性に優れた燃料電池を提供することができる。
（２）燃料電池の発電運転時には、第１気液貯留部と酸素極室とを連通させておくことで貯留された水で酸素を加湿して電解質膜に水分を吸収させられるので、電解質膜のプロトン導電性を向上させ発電性能の優れた燃料電池を提供することができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、請求項２又は３の効果に加え、
（１）水の電気分解時に水素極が水に浸漬されていないため、水素極の成分が水に溶出しないか溶出量を極めて少なくできるため、溶出成分が電解質膜に付着することが原因の燃料電池の起電力低下や電解効率低下が生じず耐久性に優れた燃料電池を提供することができる。
（２）燃料電池の発電運転時には、第２気液貯留部と水素極室とを連通させておくことで貯留された水で水素を加湿できるので、水素を加湿器で加湿しなくても電解質膜のプロトン導電性を維持することができ構造の簡単な燃料電池を提供することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、
（１）１基の燃料電池で水素（燃料）及び酸素を用いた発電と水の電気分解による水素（燃料）の再生を行うことができ、燃料の補給頻度を少なくすることができ利便性に優れ、さらに水素の補給頻度を少なくすることができるので、水素の製造所，輸送，貯蔵，供給設備等のインフラ整備に要する負担を少なくできる電気自動車を提供することができる。
（２）水の電気分解から燃料電池の運転への切り替え時にフラッディング現象が生じ難いため、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く安定した出力が得られるとともに耐久性にも優れた電気自動車を提供することができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明によれば、
（１）燃料電池の発電運転開始時に酸素極室に酸素や空気を流すと、酸素極の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難く、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く高い起電力が安定して得られる燃料電池の運転方法を提供することができる。
（２）水の電気分解時に酸素極が水に浸漬されていないため、酸素極の成分が水に溶出しないか溶出量を極めて少なくできるため、溶出成分が電解質膜に付着することが原因の燃料電池の起電力低下や電解効率低下が生じず耐久性に優れた燃料電池の運転方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池の模式図である。
図中、１は実施の形態１における燃料電池、２はフッ素樹脂系等のイオン交換膜で形成された電解質膜、３はチタン製，白金製等で形成され電解質膜２の片面に配設された水素極、４は水素極３を収容する水素極室、５はチタン製，白金製等で形成され電解質膜２の他面に配設された酸素極、６は酸素極５を収容する酸素極室、７は水素極室４の下端側に形成され燃料電池１の発電運転時には燃料の水素が供給され水の電解運転時には水分が供給される水素極室供給口、８は水素極室供給口７に接続された三方弁からなる方向切換弁、９は一端が方向切換弁８に接続された連結管であり、方向切換弁８は水素極室供給口７と連結管９と図示しない水素貯蔵装置に接続されている。１０は連結管９の他端に接続された三方弁からなる方向切換弁、１１は一端が方向切換弁１０に接続された連通管であり、方向切換弁１０は連結管９と連通管１１と図示しない水素貯蔵装置に接続されている。１２は連通管１１の他端と接続し方向切換弁８，１０を介して水素極室供給口７と連通した第２気液貯留部、１３は上端が水素極室４の高さと略同一の高さで第２気液貯留部１２の下部側に形成され連通管１１の他端と連通した水素ガス貯留部、１４は第２気液貯留部１２の上部側に形成された水貯留部、１４ａは水素ガス貯留部１３の底部に形成され水貯留部１４と連通した連通孔、１４ｂは連通孔１４ａと連通管１１との間の水素ガス貯留部１３に立設された仕切板である。仕切板１４ｂの上端と水素ガス貯留部１３の上端との間には隙間が形成されており、連通管１１から水素ガス貯留部１３内に流れてきた水素ガス等は仕切板１４ｂに沿って上向きに流れた後に水素ガス貯留部１３内に貯留される。また、水貯留部１４の容積は水素ガス貯留部１３の容積と同一乃至はやや大きめに形成されている。１５は第２気液貯留部１２の水貯留部１４の上端側に接続され第２気液貯留部１２から水素等のガスを排気する排気管、１６は排気管１５に配設された排気管開閉弁、１７は第２気液貯留部１２の水貯留部１４の上端側に接続され第２気液貯留部１２に水を供給する水供給管、１８は水供給管１７に配設された水供給管開閉弁、１９は水素極室４の上端側に形成され燃料電池１の発電運転時には未反応の過剰な水素が排出され水の電解運転の開始時には水素極室４に供給された水が排出される水素極室排出口、２０は水素極室排出口１９に接続された水素極室排出口開閉弁である。
【００２３】
２１は酸素極室６の下端側に形成され燃料電池１の発電運転時には酸素や空気が供給され水の電解運転時には水分が供給される酸素極室供給口、２２は酸素極室供給口２１に接続された三方弁からなる方向切換弁、２３は一端が方向切換弁２２に接続された連通管であり、方向切換弁２２は酸素極室供給口２１と連通管２３と図示しないコンプレッサ等の酸素供給装置に接続されている。２４は連通管２３の他端と接続し方向切換弁２２を介して酸素極室供給口２１と連通した第１気液貯留部、２５は上端が酸素極室６の高さと略同一の高さで第１気液貯留部２４の下部側に形成された酸素ガス貯留部、２６は第１気液貯留部２４の上部側に形成された水貯留部、２６ａは酸素ガス貯留部２５の底部に形成され水貯留部２６と連通した連通孔、２６ｂは連通孔２６ａと連通管２３との間の酸素ガス貯留部２５に立設された仕切板である。仕切板２６ｂの上端と酸素ガス貯留部２５の上端との間には隙間が形成されており、連通管２３から酸素ガス貯留部２５内に流れてきた酸素ガス等は仕切板２６ｂに沿って上向きに流れた後に酸素ガス貯留部２５内に貯留される。また、である。水貯留部２６の容積は酸素ガス貯留部２５の容積と同一乃至はやや大きめに形成されている。２７は第１気液貯留部２４の水貯留部２６の上端側に接続され第１気液貯留部２４から酸素等のガスを排気する排気管、２８は排気管２７に配設された排気管開閉弁、２９は第１気液貯留部２４の水貯留部２６の上端側に接続され第１気液貯留部２４に水を供給する水供給管、３０は水供給管２９に配設された水供給管開閉弁、３１は酸素極室６の上端側に形成され燃料電池１の発電運転時には未反応の酸素等のガスが生成された水とともに排出され水の電解運転の開始時には酸素極室６に供給された水が排出される酸素極室排出口、３２は酸素極室排出口３１に接続された酸素極室排出口開閉弁、３３は水素極３と酸素極５とに接続され燃料電池１が発生した電気エネルギーを消費するモータ等の負荷である。
【００２４】
以上のように構成された本発明の実施の形態１における燃料電池について、図面を参照しながら、水の電気分解運転と燃料電池の発電運転の運転方法について説明する。
図２は燃料電池を水の電解装置として用いて燃料の水素を製造する直前の状態を示す模式図であり、図３は水の電気分解運転開始直後の状態を示す模式図であり、図４は水の電気分解運転中の状態を示す模式図である。
図中、３４は水素極３と酸素極５とに接続され水素極３を陰極、酸素極５を陽極として直流電圧を印加する電圧印加部である。
【００２５】
燃料電池１を水の電解装置として用い水の電気分解を行い燃料の水素を製造する場合は、方向切換弁８を水素極室供給口７，連結管９と連通するように切換え、方向切換弁１０を連結管９と連通管１１と連通するように切換え、排気管開閉弁１６，水供給管開閉弁１８，水素極室排出口開閉弁２０を開弁し、水供給管１７から水を第２気液貯留部１２に供給すると、水が連通孔１４ａ，水素ガス貯留部１３，連通管１１，方向切換弁１０，連結管９，方向切換弁８から水素極室供給口７を通って水素極室４に供給される。水素ガス貯留部１３の上端と水素極室４の上端とは略同一の高さに形成されているので、水素極室４と水素ガス貯留部１３に水が充填されると、水素極室排出口１９から水が溢れるので、水素極室排出口開閉弁２０を閉止するとともに水供給管開閉弁１８を閉止して水の供給を停止する（図２参照）。酸素極室６側も同様に、方向切換弁２２を酸素極室供給口２１と連通管２３と連通するように切換え、排気管開閉弁２８，水供給管開閉弁３０，酸素極室排出口開閉弁３２を開弁し、水供給管２９から水を第１気液貯留部２４に供給すると、水が連通孔２６ａ，酸素ガス貯留部２５，連通管２３，方向切換弁２２から酸素極室供給口２１を通って酸素極室６に供給される。酸素ガス貯留部２５の上端と酸素極室６の上端とは略同一の高さに形成されているので、酸素極室６と酸素ガス貯留部２５に水が充填されると、酸素極室排出口３１から水が溢れるので、酸素極室排出口開閉弁３２を閉止するとともに水供給管開閉弁３０を閉止して水の供給を停止する。排気管開閉弁１６，２８を開弁した状態で、電圧印加部３４を用いて水素極３と酸素極５との間に水素極３が陰極、酸素極５が陽極になるように直流電圧を印加すると、水素極室４内と酸素極室６内の水が電気分解され、酸素極５（陽極）ではＨ２Ｏ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−のように反応し酸素が発生する。この反応によって生じたプロトン（Ｈ＋）は電解質膜２を通って水素極３（陰極）側へ移動し電子を受け取り、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２のように反応して水素極室４に水素を発生させる。さらに、水素極３（陰極）ではＨ２Ｏ＋ｅ−→ＯＨ−＋１／２Ｈ２のように反応し水素極室４に水素が発生する。水素極室排出口開閉弁２０が閉止されているので、発生した水素によって水素極室４の内圧が高まり、図３に示すように、水素極室４内の水が水素極室供給口７を通って第２気液貯留部１２内へ逆流する。また、酸素極室排出口開閉弁３２も閉止されているので、発生した酸素によって酸素極室６の内圧が高まり、酸素極室６内の水が酸素極室供給口２１を通って第１気液貯留部２４内へ逆流する。
さらに、電圧印加部３４を用いて水素極３と酸素極５との間に直流電圧を印加し続けると、図４に示すように、水素極室４及び酸素極室６内の液体状態の水が全て第２気液貯留部１２及び第１気液貯留部２４内に押し出され、水素ガス貯留部１３及び酸素ガス貯留部２５の一部にも水素及び酸素が充填される。さらに電圧印加部３４によって電圧を印加し続けると、水素ガス貯留部１３及び酸素ガス貯留部２５に水素及び酸素が充満し、水貯留部１４，２６に連通孔１４ａ，２６ａから水素ガス及び酸素ガスの気泡が現れ、排気管１５，２７から排気されるので、除湿等を行った後、図示しない水素貯蔵装置等に貯蔵して燃料電池１の発電時に用いることができる。また、水貯留部１４の容積は水素ガス貯留部１３の容積と同一乃至はやや大きめに形成されているので、水素ガス貯留部１３に水素ガスが充満したときでも、水貯留部１４内の水が第２気液貯留部１２から溢れることはない。
【００２６】
さらに水の電気分解運転を継続するため、排気管開閉弁１６を閉止し、方向変換弁１０を連結管９，連通管１１及び図示しない水素貯蔵装置と連通するように切換える。水素極室４，連結管９，連通管１１，水素ガス貯留部１３には水素と水蒸気乃至は水が混在して充満しており、水素ガス貯留部１３と連通した水貯留部１４には水が貯留されているので、水素極室４には水貯留部１４から湿分が連続的に供給され、供給された湿分が電気分解されて水素が生成される。図示しない水素貯蔵装置は方向切換弁１０を介して連結管９，連通管１１と連通しているので、図示しない圧送装置等を使って連結管９，連通管１１内の水素を水素貯蔵装置に貯蔵させることができる。電気分解によって第２気液貯留室１２内の水が減ってきた場合は、水供給管開閉弁１８を開弁して水を補給する。
一方、酸素極室６側は、酸素ガス貯留部２５に酸素及び蒸気が充満するので、水貯留部２６に連通孔２６ａから酸素ガスの気泡が現れ、酸素が排気管２７から系外に排気される。電気分解によって第１気液貯留室２４内の水が減ってきた場合は、水供給管開閉弁３０を開弁して水を補給する。
【００２７】
燃料電池１の発電運転を開始する場合は、電圧印加部３４を負荷３３に切換えた後、水素極室４側の方向変換弁１０を連結管９，連通管１１と連通するように切換え、方向切換弁８を連結管９，水素極室供給口７及び図示しない水素貯蔵装置と連通するように切換え、水素極室排出口開閉弁２０を開弁する。一方、酸素極室６側の方向切換弁２２を酸素極室供給口２１，連通管２３及び図示しない酸素供給装置と連通するように切換え、酸素極室排出口開閉弁３２を開弁し排気管開閉弁２８を閉止する。次いで、図示しない水素貯蔵装置から方向切換弁８，水素極室供給口７を通って水素極室４内へ水素を、図示しない酸素供給装置から方向切換弁２２，酸素極室供給口２１を通って酸素極室６内へ酸素を供給する。これにより、水素極３ではＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−、酸素極５では１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が起こり、電力が発生する。未反応の水素は水素極室排出口１９から水素極室４の外部へ排出され、生成した水及び未反応の酸素等は酸素極室排出口３１から酸素極室６の外部へ排出される。
【００２８】
以上のように、本発明の実施の形態１における燃料電池は構成されているので、以下のような作用が得られる。
（１）水の電気分解時には、酸素極室供給口２１から酸素極室６に水を供給して、酸素極室６に水が充填されたら酸素極室排出口３１を開閉する酸素極室排出口開閉弁３２を閉止する。一方、水素極室供給口７から水素極室４にも水を供給して、水素極室４に水が充填されたら水素極室排出口１９を開閉する水素極室排出口開閉弁２０を閉止し、酸素極５と水素極３との間に直流電圧を印加すると、酸素極５で発生した酸素によって酸素極室６の内圧が高まるので、酸素極室供給口２１から酸素極室６内の水が酸素極室６の外へ押し出され酸素極５の周囲には液体状態の水がほとんど残留しなくなる。また、水の電気分解によって酸素極５の温度が８５〜９５℃程度に上昇するため、酸素極５の表面にわずかに残留した液体状態の水は蒸発する。水素極室４側でも同様の現象が起こるため、燃料電池１の発電運転開始時に酸素極室６に酸素や空気を流し水素極室４に水素を流すと、酸素極５及び水素極３の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難く、酸素及び水素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く高効率の燃料電池が得られる。
（２）水の電気分解運転時に、第１気液貯留部２４に貯留された水を酸素極室供給口２１から蒸気状態で酸素極５に供給させることができ、また液体状態で供給された水も８５〜９５℃に昇温した酸素極５で蒸発されるので、酸素極５では蒸気状態の水を電気分解することができる。酸素極５が水に浸漬されていないため、酸素極５の成分が水に溶出しないか溶出量を極めて少なくできるため、溶出成分が電解質膜２に付着することが原因の燃料電池１の起電力低下や電解効率低下が生じず耐久性に優れる。
（３）水の電気分解運転時に、第２気液貯留部１２に貯留された水を水素極室供給口７から蒸気状態で水素極３に供給させることができ、また液体状態で供給された水も８５〜９５℃に昇温した水素極３で蒸発されるので、水素極３では蒸気状態の水を電気分解することができる。水素極３が水に浸漬されていないため、水素極３の成分が水に溶出しないか溶出量を極めて少なくできるため、溶出成分が電解質膜２に付着することが原因の燃料電池１の起電力低下や電解効率低下が生じず耐久性に優れる。
（４）燃料電池１の発電運転時には、第１気液貯留部２４と酸素極室６とを連通させておくことで貯留された水で酸素を加湿して電解質膜２に水分を吸収させられるので、電解質膜２のプロトン導電性を向上させ燃料電池１の発電性能を高めることができる。
（５）燃料電池１の発電運転時には、第２気液貯留部１２と水素極室４とを連通させておくことで貯留された水で水素を加湿できるので、水素を加湿器で加湿しなくても電解質膜２のプロトン導電性を維持することができる。
（６）第１気液貯留部２４，第２気液貯留部１２の水貯留部１４，２６に排気管開閉弁１６，２８が配設された排気管１５，２７が接続されているので、水の電気分解運転時には、排気管開閉弁１６，２８を開弁した状態にすることで、水素ガス貯留部１３に水素ガスを、酸素ガス貯留部２５に酸素ガスを貯留し、水素貯蔵装置に水素を貯蔵することができる。また、燃料電池の発電運転時には、排気管開閉弁１６，２８を閉止した状態にすることで、水素極室４や酸素極室６内を湿った水素や酸素が充満した状態に保つことができ、発電性能を高めることができる。
（７）水貯留部１４，２６の容積は水素ガス貯留部１３，酸素ガス貯留部２５の容積と同一乃至はやや大きめに形成されており、水素ガス貯留部１３，酸素ガス貯留部２５の上端と水素極室４，酸素極室６の上端とは略同一の高さに形成されているので、水素極室４，酸素極室６に水が充填されたときに水供給管開閉弁１８，３０を閉止すると、水の電気分解によって水素ガス貯留部１３及び酸素ガス貯留部２５に水素ガス及び酸素ガスが充満したときでも、水貯留部１４，２６内の水が第２気液貯留部１２，第１気液貯留部２４から溢れることはなく、水素ガス貯留部１３及び酸素ガス貯留部２５内に水素ガス及び酸素ガスを確実に貯留することができる。
（８）仕切板１４ｂ，２６ｂが水素ガス貯留部１３，酸素ガス貯留部２５内に立設されているので、水素ガス貯留部１３，酸素ガス貯留部２５内に導入された水素ガス等が連通孔１４ａ，２６ａを通って直ちに水貯留部１４，２６内に漏れることがなく、水素ガス貯留部１３，酸素ガス貯留部２５内に確実に貯留することができる。
【００２９】
また、本発明の実施の形態１における燃料電池の運転方法によれば、以下のような作用が得られる。
（１）電気分解運転時に蒸気状態の水を電気分解するので、水素極室４に水素を発生させることができる。さらに、燃料電池１の発電運転開始時に酸素極室６に酸素や空気を流し、水素極室４に水素を流すと、水素極３及び酸素極５の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難く、水素や酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く高い起電力が安定して得られる。
（２）水の電気分解時に水素極３及び酸素極５が水に浸漬されていないため、水素極３及び酸素極５の成分が水に溶出しないか溶出量を極めて少なくできるため、溶出成分が電解質膜２に付着することが原因の燃料電池１の起電力低下や電解効率低下が生じず耐久性に優れる。
【００３０】
（実施の形態２）
図５は実施の形態１における燃料電池を用いた実施の形態２における電気自動車の構成図である。なお、実施の形態１で説明したものは、同じ符号を付して説明を省略する。
図中、４０は電気自動車、４１は水素極３及び酸素極５に接続され燃料電池１で発生させた電力の制御を行うとともに水の電解運転と発電運転の切り替え制御を行うコントロールユニット、４２はコントロールユニット４１に接続された太陽電池である。太陽電池４２で発生された電力はコントロールユニット４１に供給されるとともに、余剰の電力は２次電池からなる電圧印加部３４に蓄積される。コントロールユニット４１は太陽電池４２や電圧印加部３４から電力を供給され、自動車の走行時には燃料電池１で発生した電力をモータ等の負荷３３に供給し、自動車の停止時には負荷３３から電圧印加部３４に切り替え、燃料電池１内では水の電気分解が行われる。
４３は方向切換弁２２を介して連結管２３，酸素極室供給口２１に連通され空気を加圧するコンプレッサ等の酸素供給装置、４４は水素極室排出口開閉弁２０に接続された三方弁からなる方向切換弁、４５は酸素極室排出口開閉弁３２を介して酸素極室排出口３１に連通した水から酸素を分離する酸素分離装置、４６は方向切換弁４４、酸素分離装置４５、水供給管１７，２９に接続された水貯蔵槽、４７は排気管１５に接続され第２気液貯留部１２で水と分離された水素が除湿され精製される水素精製装置、４８は水素精製装置４７に接続され水素を圧送するコンプレッサ等の圧送装置、４９は水素吸蔵合金，有機ハイドライド，炭素系材料等を用いた水素貯蔵装置、５０は一端が水素貯蔵装置４９に接続され他端が方向切換弁８に接続された逆止弁、５１は上流側が方向切換弁１０に接続され下流側が水素貯蔵装置４９に接続され水素を昇圧し水素貯蔵装置４９に圧送するコンプレッサ等の圧送装置、５２は一端が方向切換弁４４に他端が逆止弁５０の下流側に接続されたバイパス管である。
【００３１】
以上のように構成された実施の形態２における電気自動車について、以下その運転方法を説明する。
コントロールユニット４１は、自動車の停止時には電圧印加部３４を用いて水素極３及び酸素極５に電圧を印加し、燃料電池１内で水の電気分解を行い、燃料となる水素を製造する。このときの動作は実施の形態１で説明したものと重複するが、主な動作だけを説明する。
水は、水貯蔵槽４６から水供給管１７，２９を通って第２気液貯留部１２、第１気液貯留部２４に供給され、水素極室供給口７，酸素極室供給口２１を通って水素極室４，酸素極室６に供給される。供給された水が水素極室排出口１９，酸素極室排出口３１から溢れたら水素極室排出口開閉弁２０、酸素極室排出口開閉弁３２を閉止し、水供給管開閉弁１８，３０を閉止し水の供給を止める。水素極室排出口１９から溢れた水は方向切換弁４４を通って水貯蔵槽４６に戻され、酸素極室排出口３１から溢れた水は酸素分離装置４５を通って水貯蔵槽４６に戻される。
水素極３及び酸素極５に電圧が印加されると水素極室４及び酸素極室６内に水素及び酸素が発生し、発生した水素及び酸素によって水素極室４及び酸素極室６の外へ水が押し出される。水は第２気液貯留部１２内に逆流し、水素極室４，連結管９，連通管１１及び第２気液貯留部１２の一部には水素と蒸気が充満し、充満した水素は方向切換弁１０から圧送装置５１を通って水素貯蔵装置４９に圧送され貯蔵される。なお、除湿機等の水素精製装置を通過させて精製した水素を貯蔵するのが好ましい。第２気液貯留部１２から溢れた水素は排気管１５から水素精製装置４７を通して水素貯蔵装置４９に圧送され貯蔵される。水素は、第２気液貯留部１２内の水が湿り蒸気として水素極室４内に供給されて蒸気状態の水が連続的に電気分解され連続的に製造される。第２気液貯留部１２内の水が不足してきたときは水貯蔵槽４６から供給する。
一方、酸素極室６側でも同様に、水は第１気液貯留部２４内に逆流し、酸素極室６，連通管２３及び第１気液貯留部２４の一部には酸素と蒸気が充満する。第１気液貯留部２４から溢れた酸素は排気管２７から大気中へ放出される。第１気液貯留部２４内の水が湿り蒸気として酸素極室６内に供給されて連続的に蒸気状態の水が電気分解される。第１気液貯留部２４内の水が不足してきたときは水貯蔵槽４６から供給する。
【００３２】
自動車の走行時は、コントロールユニット４１が電圧印加部３４から負荷３３に切換え後、酸素極室６内へ酸素供給装置４３を用いて方向切換弁２２を通して空気や酸素を供給し、水素貯蔵装置４９から逆止弁５０，方向切換弁８を通して水素極室４内へ水素を供給する。これにより、燃料電池１は電力を発生し、負荷３３に電力を供給することができる。なお、発生した電力のうち余剰分は、２次電池からなる電圧印加部３４に充電される。また、発電運転時に酸素極室６で発生した水（水蒸気）は、酸素分離装置４５を通して水貯蔵槽４６に戻される。また、発電運転時に水素極室４で反応に使われなかった過剰な水素は方向切換弁４４からバイパス管５２を通って方向切換弁８，水素極室供給口７を通り再び水素極室４に供給される。
【００３３】
以上のように、本発明の実施の形態２における電気自動車は構成されているので、以下のような作用が得られる。
（１）１基の燃料電池１で、発電運転と水の電気分解運転による水素（燃料）の再生を行うことができ、燃料の補給頻度を少なくすることができ利便性を高め、さらに水の電気分解から発電運転への切り替え時にフラッディング現象が生じ難いため、酸素や水素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く安定した出力が得られる。
【００３４】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３における燃料電池の模式図である。なお、実施の形態１で説明したものと同様のものは、同じ符号を付して説明を省略する。
図中、１ａは実施の形態３における燃料電池であり、１０ａは連結管９の他端に接続された開閉弁である。
実施の形態３における燃料電池１ａが実施の形態１における燃料電池１と異なる点は、水素極室４側に第２気液貯留部１２が接続されていない点である。
【００３５】
以上のように構成された本発明の実施の形態３における燃料電池について、図面を参照しながら、水の電気分解運転と燃料電池の発電運転の動作について説明する。
図７は燃料電池を水の電解装置として用いて燃料の水素を製造する直前の状態を示す模式図であり、図８は水の電気分解運転開始直後の状態を示す模式図であり、図９は水の電気分解運転中の状態を示す模式図である。
【００３６】
燃料電池１を水の電解装置として用い水の電気分解を行い燃料の水素を製造する場合は、方向切換弁２２を酸素極室供給口２１と連通管２３と連通するように切換え、排気管開閉弁２８，水供給管開閉弁３０，酸素極室排出口開閉弁３２を開弁し、水供給管２９から水を第１気液貯留部２４に供給すると、水が連通孔２６ａ，酸素ガス貯留部２５，連通管２３，方向切換弁２２から酸素極室供給口２１を通って酸素極室６に供給される。酸素ガス貯留部２５の上端と酸素極室６の上端とは略同一の高さに形成されているので、酸素極室６と酸素ガス貯留部２５に水が充填されると、酸素極室排出口３１から水が溢れるので、酸素極室排出口開閉弁３２を閉止するとともに水供給管開閉弁３０を閉止して水の供給を停止する（図７参照）。この状態で電圧印加部３４を用いて水素極３と酸素極５との間に水素極３が陰極、酸素極５が陽極になるように直流電圧を印加すると、酸素極室６内の水が電気分解され、酸素極５（陽極）ではＨ２Ｏ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−のように反応し酸素が発生する。この反応によって生じたプロトン（Ｈ＋）は電解質膜２を通って水素極３（陰極）側へ移動し電子を受け取り、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２のように反応して水素極室４に水素を発生させる。酸素極室排出口開閉弁３２が閉止されているので、発生した酸素によって酸素極室６の内圧が高まり、酸素極室６内の水が酸素極室供給口２１を通って第１気液貯留部２４内へ逆流する（図８参照）。
【００３７】
さらに、電圧印加部３４を用いて水素極３と酸素極５との間に直流電圧を印加し続けると、図９に示すように、酸素極室６内の液体状態の水が全て第１気液貯留部２４内に押し出され、酸素ガス貯留部２５の一部にも酸素が充填される。さらに電圧印加部３４によって電圧を印加し続けると、酸素ガス貯留部２５に酸素が充満し、水貯留部２６に連通孔２６ａから酸素ガスの気泡が現れ排気管２７から排気される。水貯留部２６の容積は酸素ガス貯留部２５の容積と同一乃至はやや大きめに形成されているので、酸素ガス貯留部２５に酸素ガスが充満したときでも、水貯留部２６内の水が第１気液貯留部２４から溢れることはない。
酸素極室６，連通管２３，酸素ガス貯留部２５には酸素と水蒸気が混在して充満しており、酸素ガス貯留部２５と連通した水貯留部２６には水が貯留されているので、酸素極室６には水貯留部２６から湿り蒸気が連続的に供給され、供給された湿り蒸気が電気分解されて酸素極室６には酸素が、水素極室４には水素が連続的に生成される。図示しない水素貯蔵装置は開閉弁１０ａを介して連結管９と連通しているので、開閉弁１０ａを開弁して図示しない圧送装置等を使って、連結管９内の水素を水素貯蔵装置に貯蔵させることができる。電気分解によって第１気液貯留室２４内の水が減ってきた場合は、水供給管開閉弁３０を開弁して水を補給する。
【００３８】
燃料電池１ａの発電運転を開始する場合は、電圧印加部３４を負荷３３に切換えた後、水素極室４側の方向変換弁１０ａを閉止し、方向切換弁８を水素極室供給口７及び図示しない水素貯蔵装置と連通するように切換え、水素極室排出口開閉弁２０を開弁する。一方、酸素極室６側の方向切換弁２２を酸素極室供給口２１，連通管２３及び図示しない酸素供給装置と連通するように切換え、酸素極室排出口開閉弁３２を開弁し排気管開閉弁２８を閉止する。次いで、図示しない水素貯蔵装置から方向切換弁８，水素極室供給口７を通って水素極室４内へ水素を、図示しない酸素供給装置から方向切換弁２２，酸素極室供給口２１を通って酸素極室６内へ酸素を供給する。なお、水素は図示しない加湿器で加湿した後、水素極室４内に供給される。これにより、水素極３ではＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−、酸素極５では１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応が起こり、電力が発生する。未反応の水素は水素極室排出口１９から水素極室４の外部へ排出され、生成した水及び未反応の酸素等は酸素極室排出口３１から酸素極室６の外部へ排出される。
【００３９】
以上のように、本発明の実施の形態３における燃料電池は構成されているので、実施の形態１に記載した作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）酸素極室６側だけに水を供給する機構を設ければよいので、装置構成を単純にすることができ、部品点数を少なくし小型化することができる。
【００４０】
（実施の形態４）
図１０は実施の形態３における燃料電池を用いた実施の形態４における電気自動車の構成図である。なお、実施の形態２及び実施の形態３で説明したものは、同じ符号を付して説明を省略する。
図中、４０ａは燃料電池１ａを備えた電気自動車であり、５２ａは一端が水素極室排出口開閉弁２０に他端が逆止弁５０の下流側に接続されたバイパス管である。
【００４１】
以上のように構成された実施の形態４における電気自動車について、以下その動作を説明する。
コントロールユニット４１は、自動車の停止時には電圧印加部３４を用いて水素極３及び酸素極５に電圧を印加し、燃料電池１内で水の電気分解を行い、燃料となる水素を製造する。このときの動作は実施の形態３で説明したものと重複するが、主な動作だけを説明する。
水は、水貯蔵槽４６から水供給管２９を通って第１気液貯留部２４に供給され、酸素極室供給口２１を通って酸素極室６に供給される。供給された水が酸素極室排出口３１から溢れたら酸素極室排出口開閉弁３２を閉止し、水供給管開閉弁３０を閉止し水の供給を止める。酸素極室排出口３１から溢れた水は酸素分離装置４５を通って水貯蔵槽４６に戻される。
水素極３及び酸素極５に電圧が印加されると水素極室４及び酸素極室６内に水素及び酸素が発生し、発生した酸素によって酸素極室６の外へ水が押し出される。水は第１気液貯留部２４内に逆流し、酸素極室６，連通管２３及び第１気液貯留部２４の一部には酸素と蒸気が充満する。第１気液貯留部２４から溢れた酸素は排気管２７から大気中へ放出される。第１気液貯留部２４内の水が湿り蒸気として酸素極室６内に供給されて連続的に蒸気状態の水が電気分解される。第１気液貯留部２４内の水が不足してきたときは水貯蔵槽４６から供給する。
水素極室４に発生した水素は、開閉弁１０ａから圧送装置５１を通って水素貯蔵装置４９に圧送され貯蔵される。なお、除湿機や水素分離装置等の水素精製装置を通過させて精製した水素を貯蔵するのが好ましい。
【００４２】
自動車の走行時は、コントロールユニット４１が電圧印加部３４から負荷３３に切換え後、酸素極室６内へ酸素供給装置４３を用いて方向切換弁２２を通して空気や酸素を供給し、水素貯蔵装置４９から逆止弁５０，方向切換弁８を通して水素極室４内へ水素を供給する。これにより、燃料電池１は電力を発生し、負荷３３に電力を供給することができる。なお、発生した電力のうち余剰分は、２次電池からなる電圧印加部３４に充電される。また、発電運転時に酸素極室６で発生した水（水蒸気）は、酸素分離装置４５を通して水貯蔵槽４６に戻される。また、発電運転時に水素極室４で反応に使われなかった過剰な水素は、水素極室排出口開閉弁２０からバイパス管５２ａを通って方向切換弁８，水素極室供給口７を通り再び水素極室４に供給される。
【００４３】
以上のように、本発明の実施の形態４における電気自動車は構成されているので、実施の形態２で説明したのと同様の作用が得られる。
【実施例】
【００４４】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
実施の形態１で説明した構成を備えた燃料電池において、電解質膜としてデュポン社製のナフィオン１１５（膜厚１３０μｍ）、水素極及び酸素極としてクロール法で製造された高純度チタン（純度９９．９９〜９９．９９９％、厚さ１ｍｍ、大きさ２５ｍｍ２）及び高純度チタン製メッシュを用い、水素極室及び酸素極室に純水を供給した。水素極室排出口開閉弁及び酸素極室排出口開閉弁を閉止した後、電流印加部から水素極と酸素極との間に直流電圧を印加し電気分解を行った。このときの電圧は約１．５〜４．５Ｖであり、電流は約０．５〜２Ａであり、水素極室及び酸素極室から液体状態の水が押し出された後、水素極室及び酸素極室内の湿り蒸気が安定して電気分解された。電圧を印加してから１時間後、電圧印加部を直流モータからなる負荷に代え、水素極室及び酸素極室に水素ガス及び酸素ガスを供給し発電運転を開始した。発電運転中の起電力の測定は、負荷への接続配線の一部に０．１Ωの抵抗器を配設し、この抵抗器に印加される電圧を測定することによって行った。この結果、発電運転開始直後から０．９８Ｖ（電流２３０〜３００ｍＡ）の起電力が得られた。１時間の発電運転後、水素極室及び酸素極室への水素ガス及び酸素ガスの供給を停止した後、水素極室及び酸素極室内に純水を供給した。水素極室排出口開閉弁及び酸素極室排出口開閉弁を閉止した後、電流印加部から水素極と酸素極との間に直流電圧を印加し再び１時間の電気分解を行った。これにより、水素極室及び酸素極室から液体状態の水が押し出された後、水素極室及び酸素極室内の湿り蒸気が安定して電気分解された。
以上の電気分解運転と発電運転との切り替えを１サイクルとして１０サイクル行ったが、いずれも発電運転開始直後から０．９８Ｖの起電力が安定して得られた。
【００４５】
（比較例１）
実施例１で説明した燃料電池を用いるが、水素極室排出口開閉弁、酸素極室排出口開閉弁は開弁した状態で、水素極室供給口及び酸素極室供給口から水素極室及び酸素極室に純水を供給し、電流印加部から水素極と酸素極との間に直流電圧を印加し電気分解を行った。このときの電圧は約１．５〜４．５Ｖであり、電流は約０．５〜２Ａであった。電圧を印加してから１時間後、純水の供給を停止するとともに電圧印加部を直流モータからなる負荷に代え、水素極室及び酸素極室に水素ガス及び酸素ガスを供給し発電運転を開始した。この結果、発電運転開始直後は、水素極室及び酸素極室内に水が存在しているため、水が水素極室及び酸素極室から押し出されるまでは、実施例１と同様の０．９８Ｖの起電力が得られなかった。１時間の発電運転後、水素極室及び酸素極室への水素ガス及び酸素ガスの供給を停止するとともに負荷から電圧印加部に接続を切り替え、水素極室及び酸素極室内に純水を供給し電流印加部から水素極と酸素極との間に直流電圧を印加し電気分解を１時間行った。
以上の電気分解運転と発電運転との切り替えを１サイクルとして１０サイクル行ったが、サイクル数を増すごとに、発電運転時の起電力が０．９８Ｖから次第に低下し、１０サイクル目には０．７８Ｖまで低下した。これは、水が水素極室及び酸素極室のガス流路に詰まりガスが流れ難くなる現象（フラッディング現象）が生じ、水素ガス及び酸素ガスの拡散阻害による電圧低下が生じたものであると推察される。
【００４６】
以上のように本実施例によれば、水の電気分解運転から燃料電池の発電運転への切り替え時に、酸素極及び水素極の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難いため、酸素ガスや水素ガスの拡散阻害による電圧低下が起こり難く、動作の安定性に優れるとともに耐久性にも優れる高効率の燃料電池を提供できることが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、燃料電池及びそれを備えた電気自動車並びに燃料電池の運転方法に関し、水の電気分解から燃料電池の運転への切り替え時に、酸素極の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難いため、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く動作の安定性に優れ、また構造が簡単で軽量化できるとともに安価で量産でき、さらに電極の溶出がほとんどみられず耐久性にも優れる高効率の燃料電池を提供することができ、また１基の燃料電池で水素（燃料）及び酸素（空気）を用いた発電と水の電気分解による水素（燃料）の再生を行うことができ、燃料の補給頻度を少なくすることができ利便性を高めるとともにインフラ整備に要する負担を軽減でき、また水の電気分解から燃料電池の運転への切り替え時にフラッディング現象が生じ難いため、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く安定した出力が得られ耐久性にも優れた電気自動車を提供することができる。また、燃料電池の発電運転開始時に酸素極室に酸素や空気を流すと、酸素極の表面には蒸気が存在しているだけなのでフラッディング現象が生じ難く、酸素の拡散阻害による電圧低下が起こり難く高い起電力が安定して得られ、また電極の成分が水に溶出しないか溶出量を極めて少なくできるため、溶出成分が電解質膜に付着することが原因の燃料電池の起電力低下や電解効率低下が生じず耐久性に優れた燃料電池の運転方法を提供することができる。この燃料電池は、自動車用の移動電源としてだけでなく、家庭用等の定置型電源や宇宙船用，潜水艦用，船舶用等の移動電源等の用途に幅広く用いることができる。 
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施の形態１における燃料電池の模式図
【図２】燃料電池を水の電解装置として用いて燃料の水素を製造する直前の状態を示す模式図
【図３】水の電気分解運転開始直後の状態を示す模式図
【図４】水の電気分解運転中の状態を示す模式図
【図５】実施の形態２における電気自動車の構成図
【図６】実施の形態３における燃料電池の模式図
【図７】燃料電池を水の電解装置として用いて燃料の水素を製造する直前の状態を示す模式図
【図８】水の電気分解運転開始直後の状態を示す模式図
【図９】水の電気分解運転中の状態を示す模式図燃料電池を水の電解装置として用いて燃料の水素を製造している状態を示す模式図
【図１０】実施の形態４における電気自動車の構成図
【符号の説明】
【００４９】
１，１ａ  燃料電池
２  電解質膜
３  水素極
４  水素極室
５  酸素極
６  酸素極室
７  水素極室供給口
８  方向切換弁
９  連結管
１０  方向切換弁
１０ａ  開閉弁
１１  連通管
１２  第２気液貯留部
１３  水素ガス貯留部
１４  水貯留部
１４ａ  連通孔
１４ｂ  仕切板
１５  排気管
１６  排気管開閉弁
１７  水供給管
１８  水供給管開閉弁
１９  水素極室排出口
２０  水素極室排出口開閉弁
２１  酸素極室供給口
２２  方向切換弁
２３  連通管
２４  第１気液貯留部
２５  酸素ガス貯留部
２６  水貯留部
２６ａ  連通孔
２６ｂ  仕切板
２７  排気管
２８  排気管開閉弁
２９  水供給管
３０  水供給管開閉弁
３１  酸素極室排出口
３２  酸素極室排出口開閉弁
３３  負荷
３４  電圧印加部
４０，４０ａ  電気自動車
４１  コントロールユニット
４２  太陽電池
４３  酸素供給装置
４４  方向切換弁
４５  酸素分離装置
４６  水貯蔵槽
４７  水素精製装置
４８  圧送装置
４９  水素貯蔵装置
５０  逆止弁
５１  圧送装置
５２，５２ａ  バイパス管
【図１】
2007066812.tif 000003
【図２】
2007066812.tif 000004
【図３】
2007066812.tif 000005
【図４】
2007066812.tif 000006
【図５】
2007066812.tif 000007
【図６】
2007066812.tif 000008
【図７】
2007066812.tif 000009
【図８】
2007066812.tif 000010
【図９】
2007066812.tif 000011
【図１０】
2007066812.tif 000012